원자핵

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1. 개요

원자핵은 원자를 구성하는 중심 부분으로, 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 1911년 어니스트 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해 원자핵의 존재를 처음으로 확인했다. 원자핵은 핵력(강력)에 의해 안정적으로 결합하며, 그 크기는 원자 전체에 비해 매우 작다. 원자핵의 안정성은 양성자와 중성자의 수, 특히 마법수와 관련이 깊다. 원자핵의 구조와 특성을 설명하기 위해 액체 방울 모형, 껍질 모형, 집단 모형 등 다양한 모형이 제시되었다.

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원자핵
지도 정보
기본 정보
구성 요소	양성자와 중성자
상호작용	약한 상호작용 강한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용
반입자	반원자핵
이론화	장 페랭 (1901년)
발견	어니스트 러더퍼드 (1911년)
전하	+e × 양성자 개수
질량	양성자 및 중성자 질량의 합과 유사하지만, 핵자 결합 에너지로 인해 약간 작음
평균 수명	불안정한 경우 방사성 붕괴를 통해 붕괴
붕괴 입자	방사성 붕괴 유형에 따라 다름
색전하	없음
스핀	양성자 및 중성자의 스핀에 의해 결정됨
스핀 상태 수	핵자의 스핀 조합에 따라 다름
렙톤 수	0
바리온 수	양성자 및 중성자 수의 합
스트레인지니스	0
참	0
바닥	0
꼭대기	0
아이소 스핀	핵자의 아이소 스핀에 의해 결정됨
약한 아이소 스핀	핵자의 약한 아이소 스핀에 의해 결정됨
약한 아이소 스핀 3	핵자의 약한 아이소 스핀 3 성분에 의해 결정됨
초전하	핵자의 초전하에 의해 결정됨
약한 초전하	핵자의 약한 초전하에 의해 결정됨
카이랄리티	핵자의 카이랄리티에 의해 결정됨
B-L	핵자의 바리온 수와 렙톤 수의 차이
X 전하	핵자의 X 전하에 의해 결정됨
패리티	핵자의 패리티에 의해 결정됨
G 패리티	핵자의 G 패리티에 의해 결정됨
C 패리티	핵자의 C 패리티에 의해 결정됨
R 패리티	핵자의 R 패리티에 의해 결정됨
핵 물리학
핵력	원자핵 내에서 양성자와 중성자를 결합하는 힘
핵 구조	양성자와 중성자의 배치 및 에너지 준위
핵 반응	원자핵이 다른 원자핵이나 입자와 상호작용하는 과정
핵 모델
액체 방울 모델	핵을 액체 방울로 취급하는 모델, 반경험적 질량 공식에 사용
핵 껍질 모델	핵자가 껍질 구조를 형성한다고 가정하는 모델
상호 작용 보손 모델	핵자를 보손으로 취급하는 모델
시초 방법	핵력을 기본적으로 계산하는 방법
핵종 분류
동위 원소	원자 번호 (Z)가 같은 원자핵
동중 원소	질량수 (A)가 같은 원자핵
동중성자 원소	중성자 수 (N)가 같은 원자핵
이소다이아페르	중성자 과잉 (N − Z)이 같은 원자핵
핵 이성질체	위 항목과 동일한 원자핵
거울 핵	Z ↔ N 인 원자핵
안정 핵종	방사성 붕괴를 하지 않는 원자핵
마법수	핵 안정성이 높은 특정 양성자 또는 중성자 수
짝수 및 홀수 원자핵	양성자 및 중성자 수가 짝수 또는 홀수인 원자핵
후광 핵	원자핵 주위에 핵자가 후광처럼 퍼져 있는 원자핵
보로메오 핵	최소 3개 입자로 구성된 후광 핵
핵 안정성
핵 결합 에너지	핵자를 결합하는 데 필요한 에너지
양성자-중성자 비율	안정적인 핵의 양성자와 중성자 수 비율
핵자 이탈선	핵이 핵자를 방출하기 시작하는 조건
안정성의 섬	초중원소 중 안정적인 핵이 존재할 것으로 예상되는 영역
안정의 계곡	안정적인 핵종이 분포하는 영역
안정 핵종	방사성 붕괴를 하지 않는 핵종
방사성 붕괴
알파 붕괴	알파 입자 (헬륨 핵) 방출
베타 붕괴	베타 입자 (전자 또는 양전자) 방출
이중 베타 붕괴	2개의 베타 입자 방출
중성미자 없는 이중 베타 붕괴	중성미자 없이 2개의 베타 입자 방출
양전자 방출	양전자 방출
전자 포획	원자 핵이 전자를 포획
이성질핵 전이	핵 이성질체에서 더 낮은 에너지 준위로 전이
감마선 방출	감마선 방출
내부 전환	원자 전자를 방출
자발적 핵분열	핵이 자발적으로 분열
덩어리 붕괴	큰 핵 덩어리 방출
중성자 방출	중성자 방출
양성자 방출	양성자 방출
붕괴 에너지	방사성 붕괴 과정에서 방출되는 에너지
붕괴 사슬	일련의 방사성 붕괴
붕괴 생성물	방사성 붕괴로 생성된 핵종
방사성 기원 핵종	방사성 붕괴를 통해 생성된 핵종
핵분열
자발적 핵분열	외부 요인 없이 핵이 자발적으로 분열하는 현상
핵분열 생성물	핵분열 결과 생성된 핵종
핵분열 시 핵자쌍 깨짐	핵분열 과정에서 핵자쌍이 깨지는 현상
광핵분열	감마선에 의한 핵분열
포획 과정
전자 포획	원자 핵이 전자를 포획하는 현상
이중 전자 포획	원자 핵이 두 개의 전자를 포획하는 현상
중성자 포획	원자 핵이 중성자를 포획하는 현상
S 과정	느린 중성자 포획 과정
R 과정	빠른 중성자 포획 과정
양성자 포획	원자 핵이 양성자를 포획하는 현상
P 과정	양성자 포획 과정
Rp 과정	빠른 양성자 포획 과정
고에너지 과정
핵파쇄	고에너지 입자가 핵과 충돌하여 핵을 여러 조각으로 분해하는 현상
우주선 핵파쇄	우주선에 의한 핵파쇄
광분해	감마선에 의한 핵분해
핵합성 및 핵천체물리학
핵융합	가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵이 되는 과정
항성 핵합성	별 내부에서 일어나는 핵합성
빅뱅 핵합성	빅뱅 직후 초기 우주에서 일어난 핵합성
초신성 핵합성	초신성 폭발 과정에서 일어나는 핵합성
원시 핵종	우주 탄생 직후부터 존재한 핵종
우주 생성 핵종	우주선과 다른 입자들의 상호작용으로 생성되는 핵종
인공 원소	인위적으로 합성된 원소
고에너지 핵물리학
쿼크-글루온 플라스마	매우 높은 에너지에서 쿼크와 글루온이 자유롭게 움직이는 상태
상대론적 중이온 충돌기	고에너지 중이온을 충돌시키는 장치
거대 하드론 충돌기	고에너지 입자를 충돌시키는 세계 최대 규모의 입자 가속기
과학자
과학자	루이스 월터 알바레스 앙리 베크렐 한스 베테 오게 보어 닐스 보어 제임스 채드윅 존 코크로프트 이렌 졸리오퀴리 프레데리크 졸리오퀴리 피에르 퀴리 마리 퀴리 클린턴 데이비슨 엔리코 페르미 오토 한 J. 한스 D. 옌젠 어니스트 로런스 마리아 괴퍼트-메이어 리제 마이트너 마크 올리펀트 로버트 오펜하이머 알렉산드루 프로카 에드워드 밀스 퍼셀 이시도어 아이작 라비 어니스트 러더퍼드 프레더릭 소디 프리츠 슈트라스만 브와디스와프 시비옹텍 레오 실라르드 에드워드 텔러 J. J. 톰슨 어니스트 월턴 유진 위그너

2. 발견과 역사

1911년 어니스트 러더퍼드는 조지프 존 톰슨의 "건포도 빵 모형"을 검증하는 과정에서 원자핵을 발견했다.^[11] 톰슨은 1897년 음극선 실험을 통해 전자를 발견하고, 원자가 전기적으로 중성이라는 점을 바탕으로 양전하도 존재해야 한다고 생각하여 양전하 구체 내에 전자가 박혀 있는 형태의 "건포도 빵 모형"을 제안했다.

러더퍼드는 한스 가이거, 어니스트 마스든과 함께 얇은 금속박에 알파 입자(헬륨 원자핵)를 충돌시키는 실험을 고안했다. 톰슨의 모형이 맞다면 알파 입자는 금속박을 거의 그대로 통과해야 했지만, 실험 결과 많은 수의 알파 입자가 큰 각도로 산란되었다. 이는 원자 내부에 양전하와 질량이 집중된 원자핵이 존재함을 의미했다.

1901년 장 페랭^[31]과 1903년 나가오카 핫타로^[32]가 원자핵의 존재를 이론적으로 제안했지만, 당시에는 큰 주목을 받지 못했다. 1911년 러더퍼드는 실험을 통해 원자핵의 존재를 확인했고,^[33] 이로써 원자핵에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.

1917년부터 1919년까지 러더퍼드는 공기에 α선을 쬐는 실험을 통해 황화아연 섬광 검출기로 입자를 관찰하여 수소의 원자핵, 즉 양성자를 발견했다.^[34] 이 수소 원자핵은 α선이 공기 중의 질소 원자핵에 충돌할 때 발생하는 핵반응( :{}^4_2He + {}^14_7N -> {}^17_8O + {}^1_1H )을 통해 생성된다.

1920년 러더퍼드는 왕립 학회 강연에서 원자핵을 구성하는 입자로 양성자 외에 양성자와 거의 같은 질량을 가지면서 중성인 입자가 존재할 것이라고 예측했다.^[35] 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견하면서 러더퍼드의 예측이 증명되었다.^[36]^[37]

채드윅의 중성자 발견 이후, 드미트리 이바넨코는 원자핵이 중성자와 양성자로만 구성되며, 전자는 포함되지 않는다는 새로운 가설을 제시했다.^[38] 베르너 하이젠베르크는 이 가설을 지지하며, 원자핵 구조에 관한 3편의 논문을 발표하여 이후 원자핵 이론의 발전에 큰 영향을 미쳤다.^[39]^[40]^[41]

2. 1. 데모크리토스의 원자설

데모크리토스는 모든 물질이 원자라고 불리는 눈에 보이지 않는 작은 입자로 이루어져 있다고 생각했다. 그러나 당시 주도적으로 받아들여지던 아리스토텔레스의 4원소설에 밀려 받아들여지지 않았다.

2. 2. 돌턴의 원자 모형

영국의 화학자 존 돌턴(1766~1844)은 1808년 원자설을 발표했다. 돌턴은 물질을 한없이 쪼개면 더 이상 쪼갤 수 없는 원자라는 입자에 도달한다고 발표했다. 그는 원자론에 따라 원자를 공 모양의 단단한 알갱이로 보았다. 이를 근거로 돌턴은 같은 종류의 원자는 크기, 모양, 질량이 같고 다른 원자로 변하지 않는다고 주장했다. 돌턴의 원자 모형은 원자는 더 이상 쪼개지지 않는 단단한 공 모양이다. 하지만, 음극선 실험 결과를 설명하기 어렵다는 한계점을 가지고 있다.

2. 3. 톰슨의 원자 모형

조지프 존 톰슨은 1897년 음극선 실험을 통해 새로운 원자 모형을 제안했다.^[11] 톰슨은 음극선이 질량을 가지며, 직진하고, (-)극을 띤다는 사실을 알아냈고, 이것이 전자임을 밝혔다. 그는 이 결과를 바탕으로 양전하를 띠는 원자 안에 전자가 박혀 있는 "건포도 빵 모형"(플럼 푸딩 모형)을 주장했다. 이 모형은 원자가 양전하 구체 내에 음전하를 띤 전자가 무작위로 분포되어 있는 형태로 구성되어 있다고 가정한다.

하지만 어니스트 러더퍼드는 한스 가이거, 어니스트 마스든과 함께 얇은 금속박에 알파 입자(헬륨 원자핵)를 충돌시키는 실험을 진행했고, 그 결과 톰슨의 모형에 한계가 있음을 발견했다. 알파 입자는 전자 질량의 약 8000배나 되기 때문에, 톰슨의 모형이 맞다면 알파 입자는 금속박을 거의 그대로 통과해야 했다. 그러나 실험 결과, 많은 수의 알파 입자가 큰 각도로 산란되었다. 이는 원자 내부에 양전하와 질량이 집중된 원자핵이 존재함을 의미했고, 결국 톰슨의 모형은 러더퍼드 모형으로 대체되었다.

2. 4. 러더퍼드의 원자 모형

어니스트 러더퍼드는 톰슨의 제자로, 알파 입자(He²⁺) 산란 실험을 통해 원자핵을 발견했다. 러더퍼드는 얇은 금박에 알파 입자를 충돌시켰을 때, 대부분의 알파 입자는 그대로 통과하지만 극히 일부는 튕겨져 나오는 현상을 관찰했다. 이를 통해 원자 중심에 +전하를 띠고 원자 질량의 대부분을 차지하는 원자핵이 존재한다는 사실을 알아냈다.^[11]

러더퍼드는 이 실험 결과를 바탕으로 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 행성 모형을 제시했다. 행성 모형은 부피가 작고 밀도가 큰 +원자핵이 중심에 있고, 그 주위를 -전하를 띤 전자가 돌고 있다는 개념이다. 이 모형은 원자핵의 질량을 최초로 밝혀냈다는 의의가 있다. 그러나 원자의 안정성과 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명하는 데는 한계가 있었다.

1901년 장 페랭(Jean Baptiste Perrin|장 바티스트 페랭^프랑스어)과 1903년 나가오카 핫타로가 원자핵의 존재를 이론적으로 제안했지만, 당시에는 큰 주목을 받지 못했다.^[31]^[32] 1911년 러더퍼드는 실험을 통해 원자핵의 존재를 확인했고,^[33] 이로써 원자핵에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.

1917년부터 1919년까지 러더퍼드는 공기에 α선을 쬐는 실험을 통해 황화아연 섬광 검출기로 입자를 관찰했다. 그 결과, 수소의 원자핵, 즉 양성자를 발견했다.^[34] 이 수소 원자핵은 α선이 공기 중의 질소 원자핵에 충돌할 때 발생하는 핵반응( :{}^4_2He + {}^14_7N -> {}^17_8O + {}^1_1H )을 통해 생성된다.

1920년 러더퍼드는 왕립 학회 강연에서 원자핵을 구성하는 입자로 양성자 외에 양성자와 거의 같은 질량을 가지면서 중성인 입자가 존재할 것이라고 예측했다.^[35] 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견하면서 러더퍼드의 예측이 증명되었다.^[36]^[37]

2. 5. 보어의 원자 모형

닐스 보어(1885~1962)는 러더퍼드가 설명한 원자 모형으로는 설명이 불가능한 선 스펙트럼을 설명하기 위해 새로운 원자 모형을 제시했다. 보어의 원자 모형은 양파 껍질처럼 여러 겹으로 되어 있으며, K껍질, L껍질, M껍질 등으로 이루어진 전자껍질을 가진다. 보어는 전자가 다른 껍질로 전이될 때 에너지를 방출하며, 이러한 에너지 차이로 인해 연속 스펙트럼이 아닌 선 스펙트럼이 나타난다고 설명했다. 보어의 궤도 모형에 따르면, 전자는 원자핵 주위의 특정한 에너지 준위를 가진 궤도에서만 원운동을 한다. 그러나 이 모형은 전자가 2개 이상인 다전자 원자의 선 스펙트럼은 설명하지 못한다는 한계가 있었다.

2. 6. 현대의 원자 모형

전자는 특정한 위치에 존재하는 것이 아니라 확률 분포로 존재한다는 개념으로, 오비탈로 나타내어진다. 확률 분포를 나타내면 원자의 경계가 뚜렷하지 않고 구름처럼 보이므로 전자 구름 모형이라고 한다. 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산하여 확률분포를 표시하면 전자가 원자핵 주위에 구름처럼 퍼져있다.^[1] 이는 현재 원자핵이 중심에 있는 원자를 가장 잘 표현한 원자 모형이다.

3. 어원

원자핵의 영문 표기인 ''Atomic nucleus''는 '원자(의)'를 뜻하는 'Atomic'과 '견과류'(nut)를 뜻하는 라틴어 nux|눅스^la에서 파생된 nucleus|누클레우스^la(핵, 핵심)가 합쳐져 만들어진 단어이다. 1844년 마이클 패러데이가 '원자의 중심점'을 표현하기 위해 처음 사용했다.

1912년 어니스트 러더퍼드가 현대적인 원자핵의 정의를 제안했지만, 이 용어가 곧바로 보편화된 것은 아니었다. 예를 들어, 1916년 길버트 N. 루이스는 그의 논문 "원자와 분자"에서 "원자는 '핵'과 외부 원자 또는 '껍질'로 구성된다"고 언급했다.^[13]

'핵'이라는 용어는 라틴어 nucleus|누클레우스^la에서 유래했으며, nux|눅스^la('견과')의 지소어로, 수분이 많은 과일(예: 복숭아) 속의 '핵'(즉, '작은 견과')을 의미한다. 마이클 패러데이는 1844년에 이 용어를 원자의 "중심점"을 가리키는 데 사용했고, 현대 원자 물리학에서의 의미는 1912년 어니스트 러더퍼드가 제안했다.^[12] 마찬가지로, '핵'을 의미하는 독일어와 네덜란드어 단어인 'kern'도 핵을 의미한다.

4. 구조와 모형

원자핵은 중성자와 양성자로 구성되며, 이들은 쿼크라는 더 기본적인 입자들의 결합체이다. 핵력은 양성자 사이의 전기력 반발을 이겨내고 핵자들을 묶어 원자핵을 안정하게 만든다. 핵력은 매우 짧은 거리에서만 작용하며, 원자핵의 크기를 결정하는 주요 요인이다.

헬륨-4 원자의 묘사. 원자핵에는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 빨간색과 파란색으로 표현되어 있다.

양성자는 원자핵의 전하를 결정하며, 화학 원소의 종류를 결정한다. 중성자는 전기적으로 중성이지만, 원자핵의 질량에 기여하고 동위 원소 현상을 설명한다. 중성자의 주된 역할은 원자핵 내 정전기적 반발을 줄이는 것이다.

양성자와 중성자는 페르미온이며, 강한 아이소스핀 양자수 값이 다르기 때문에 같은 공간 파동 함수를 공유할 수 있다. 이들은 때때로 같은 입자인 ''핵자''의 두 가지 다른 양자 상태로 간주되기도 한다.^[14]^[15]

원자핵의 모양은 구형, 럭비공 모양(장축 변형), 원반 모양(단축 변형), 삼축(장축 및 단축 변형의 조합) 또는 배 모양일 수 있다.^[17]^[18]

원자핵은 원자에 비해 매우 작다. 예를 들어, 수소 원자핵(양성자)의 반지름은 약 0.8751fm이다.^[27] 다른 원자에서는 원자핵의 반지름(r)이 그 질량수(A)의 세제곱근에 비례한다.

:r = r₀∛A

여기서 r₀는 상수이며, 그 값은 r₀ = 1.3fm이다.

원자핵의 안정성은 양성자와 중성자의 수와 관련이 깊으며, 특히 마법수라고 불리는 특정 수의 핵자를 가질 때 안정성이 높아진다. 이 마법수는 메이어와 예넨에 의해 발견되었고, 껍질 모형의 기초가 되었다.^[28] 그러나 최근 연구에서는 중성자가 극단적으로 많은 핵에서 마법수 계열이 소멸하는 현상이 보고되고 있다.

모든 핵종 중에서 가장 안정한 원자핵은 니켈-62이다.^[29]^[30]

원자핵 모형에는 액체 방울 모형, 껍질 모형, 집단 모형(클러스터 모형) 등이 있다.

4. 1. 구성 요소

원자핵은 중성자와 양성자로 구성되며, 이들은 다시 쿼크라는 더 기본적인 입자들의 발현으로, 핵력에 의해 하드론이라고 불리는 특정 안정적인 바리온 조합으로 결합되어 있다. 핵력은 양전하를 띤 양성자 사이의 반발적인 전기력에 맞서 중성자와 양성자를 서로 결합시킨다. 핵력은 매우 짧은 범위를 가지며, 본질적으로 원자핵의 가장자리를 넘어서면 0으로 떨어진다. 양전하를 띤 원자핵의 집합적 작용은 전기적으로 음전하를 띤 전자를 원자핵 주위의 궤도에 유지하는 것이다. 원자핵 주위를 공전하는 음전하를 띤 전자들의 집합은 특정 구성과 전자 수에 대한 친화력을 보여주어 궤도를 안정적으로 만든다. 어떤 화학 원소를 원자가 나타내는지는 원자핵 내 양성자의 수에 의해 결정된다. 중성 원자는 원자핵 주위를 공전하는 전자의 수와 같은 수의 전자를 가진다. 개별 화학 원소는 전자를 공유하여 더 안정적인 전자 배열을 만들 수 있다. 원자핵 주위에 안정적인 전자 궤도를 생성하기 위해 전자를 공유하는 것이 우리의 거시 세계의 화학으로 나타나는 것이다.

양성자는 원자핵의 전체 전하와 그 화학적 동일성을 결정한다. 중성자는 전기적으로 중성이지만, 양성자와 거의 같은 정도로 원자핵의 질량에 기여한다. 중성자는 동위 원소(같은 원자 번호, 다른 원자 질량) 현상을 설명할 수 있다. 중성자의 주요 역할은 원자핵 내의 정전기적 반발을 줄이는 것이다.

4. 1. 1. 양성자

중성자와 함께 원자핵을 구성하는 입자이며, 양의 전하를 가지고 있다. 양성자의 전하량은 전자의 전하량과 비교했을 때 그 크기는 같으나 부호는 반대이고, 전자 질량의 약 1836배에 해당하는 질량을 지닌 입자이다.

1803년 영국의 화학자 돌턴이 원자설을 제안한 후, 많은 과학자들이 원자의 구조에 대해 연구하였다. 그 과정에서 원자는 더 작은 입자로 구성되어 있다는 것을 알게 되었는데, 그 입자들이 전자, 양성자, 중성자 등이며 그 중 양전하를 띠고 있는 입자가 양성자이다. 양성자는 소립자(쿼크)로 구성되어 있다.

원자핵의 존재가 이론적으로 제안된 것은 1901년의 장 페랭^[31]과 1903년의 나가오카 핫타로^[32]가 처음이다. 이러한 주장은 그다지 주목받지 못했지만, 얼네스트 러더퍼드가 1911년에 실험적으로 원자핵의 존재를 확인하여^[33] 주목을 받게 되었다.

러더퍼드는 1914년에 무거운 원자핵에서는 α선을 접근시켜도 쿨롱 힘에 의해 밀쳐지지만, 가벼운 원자핵에서는 원자핵이나 α입자 중 하나의 파괴가 일어나는 것이 아닐까 생각하고, 1917년부터 1919년에 걸쳐 다양한 조건하에서 공기에 α선을 쬐어, ZnS의 섬광을 이용하여 파괴의 영향으로 발생할 가능성이 있는 입자를 발견하려고 시도한 결과, 수소의 원자핵, 즉 양성자를 발견했다.^[34] 이 수소의 원자핵은 α선이 공기 중의 질소의 원자핵에 부딪혔을 때

:{}^4_2He + {}^14_7N -> {}^17_8O + {}^1_1H

라는 핵반응에 의해 생기는 것이다. 이 결과를 받아 러더퍼드는 다음 해 1920년에 런던 왕립 학회에서 행한 강의에서 원자핵을 구성하는 입자에는 양성자 외에 양성자와 거의 같은 질량으로 중성인 입자가 존재할 것이라고 예상했다.^[35]

4. 1. 2. 중성자

양성자와 함께 원자를 구성하는 핵자 중 하나로, 전하를 띠지 않는다.

중성자는 전하가 없으므로 전기량도 없다. 질량은 1.675E-27으로 양성자보다 약간 무겁고, 전자의 약 1,800배이다. 핵에서 벗어나면 불안정하며 반감기는 , 평균 수명은 881.5s이다. 중성자는 세 개의 쿼크로 이루어진 중입자이며, 한 개의 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크로 구성되어 있다.

1932년 채드윅은 일련의 연구를 통해 전하량이 없는 입자인 중성자를 발견하고 제안하였다.^[36]^[37]

4. 2. 핵력 (강력)

원자핵은 양전하를 띠는 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 구성되어 있다. 양성자끼리는 서로 밀어내는 힘이 작용하므로, 원자핵이 안정된 상태로 존재하려면 전자기력보다 큰 힘이 핵자들 사이에 작용해야 한다. 이 힘은 전자기력보다 강한 힘이라는 의미에서 강한 상호작용이라고 한다.^[34]^[35]

강한 상호작용은 아주 가까운 거리에서만 작용하며, 양성자와 중성자가 아주 가까이 있을 때 서로 떨어지지 않도록 붙잡아 맨다. 원자핵과 같이 좁은 영역에 중성자가 양성자와 함께 있으면, 강한 상호작용이 발동하여 양성자들 사이의 척력을 무기력하게 만든다. 중성자는 전하를 갖고 있지 않으므로 전기력을 발휘할 수 없지만, 강한 상호작용을 발동하여 원자핵을 전체적으로 붙잡아 묶는 역할을 한다.^[34]^[35]

원자핵은 핵력(잔여 강력)에 의해 서로 결합되어 있다. 잔여 강력은 쿼크를 결합하여 양성자와 중성자를 형성하는 강한 상호작용의 작은 잔여 효과이다. 이 힘은 중성자와 양성자 ''사이''에서는 훨씬 약한데, 그 이유는 주로 중성자와 양성자 내부에서 중화되기 때문이다. 핵력은 전형적인 핵자 분리 거리에서 매우 강한 인력으로 작용하며, 이는 전자기력으로 인한 양성자 사이의 반발력을 압도하여 원자핵이 존재할 수 있게 한다. 그러나 잔여 강력은 거리에 따라 빠르게 감소하기 때문에 범위가 제한되어 있으며, 따라서 특정 크기보다 작은 원자핵만이 완전히 안정될 수 있다. 잔여 강력은 매우 짧은 범위(보통 몇 펨토미터(fm); 대략 1~2개의 핵자 지름)에서 효과적이며, 어떤 두 핵자 쌍 사이에도 인력을 발생시킨다. 예를 들어, 양성자와 중성자 사이에서 중양성자 [NP]를 형성하고, 양성자와 양성자, 중성자와 중성자 사이에도 작용한다.

4. 3. 원자핵의 크기

원자핵은 원자에 비해 매우 작다. 예를 들어, 가장 작은 수소 원자핵(양성자)의 반지름은 약 0.8751fm (지름은 약 1.75fm)이다.^[27] 수소 원자핵을 제외하고는, 그 좁은 공간에 양전하를 띤 양성자가 여러 개 존재하기 때문에 서로 큰 척력(전자기력)을 받는다. 이 척력을 이겨내고 원자핵을 안정적으로 존재하게 하는 것은 중성자의 작용이다. 양성자, 중성자의 핵자 사이에는 중간자를 매개로 한 강한 상호작용(핵력)이 인력으로 작용하여, 이것이 전자기적 반발력을 이겨내고 원자핵을 안정화시킨다.

다른 원자에서는 원자핵의 반지름 r이 그 질량수 A의 약 1/3승, 즉 세제곱근에 비례하는 것이 알려져 있으며, 공식화하면 다음과 같다.

:r = r₀∛A

여기서 r₀는 상수이며, 그 값은 r₀ = 1.3fm이다.

4. 4. 원자핵의 안정성

원자핵의 안정성은 양성자와 중성자의 수와 깊이 관련되어 있으며, 특히 원자핵을 안정하게 만드는 마법수라고 불리는 숫자가 존재하는 것이 메이어와 예넨에 의해 발견되었다. 두 사람은 이 법칙을 바탕으로 껍질 모형(쉘모델) 등의 가설을 제창했다.^[28] 단, 최근 불안정핵 연구에 의해 극단적으로 중성자 과잉인 핵 등에서는 지금까지 알려져 왔던 마법수의 계열이 소멸하는 것이 액체방울 모델, 집단 운동 모형 등의 연구에서 알려지고 있다.

모든 핵종 중에서 가장 안정적인 원자핵은 니켈의 동위원소 중 하나인 니켈-62(양성자 28개, 중성자 34개)의 원자핵이다.^[29]^[30]

4. 5. 원자핵 모형

표준 모형은 원자핵의 구성과 거동을 완벽하게 설명한다고 널리 알려져 있지만, 이론으로부터 예측을 생성하는 것은 다른 대부분의 입자 물리학 분야보다 훨씬 어렵다. 그 이유는 다음과 같다.

원칙적으로, 원자핵 내의 물리는 양자 색역학(QCD)으로부터 완전히 유도될 수 있다. 그러나 실제로는, 원자핵과 같은 저에너지 시스템에서 QCD를 푸는 현재의 계산 및 수학적 접근 방식은 매우 제한적이다. 이는 고에너지 쿼크 물질과 저에너지 하드론 물질 사이에서 발생하는 상전이 때문이며, 이로 인해 섭동 기법을 사용할 수 없게 되어 핵력의 정확한 QCD 기반 모델을 구성하기 어렵다. 현재의 접근 방식은 Argonne v18 퍼텐셜과 같은 현상론적 모델 또는 카이랄 유효장 이론으로 제한된다.^[19]
핵력이 잘 제한되어 있다고 해도, 원자핵의 특성을 정확하게 계산하려면 상당한 계산 능력이 필요하다('''ab initio''' 방식). 다체 이론의 발전으로 많은 저질량 및 비교적 안정적인 원자핵에 대해 이것이 가능해졌지만, 무거운 원자핵이나 매우 불안정한 원자핵을 다루기 전에 계산 능력과 수학적 접근 방식 모두를 더욱 개선해야 한다.

역사적으로, 실험은 필연적으로 불완전한 비교적 조잡한 모델과 비교되어 왔다. 이러한 모델 중 어느 것도 핵 구조에 대한 실험 데이터를 완전히 설명할 수 없다.^[20]

핵 반지름(''R'')은 모든 모델이 예측해야 하는 기본적인 양 중 하나이다. 안정적인 원자핵(헤일로 핵이나 다른 불안정한 왜곡된 원자핵 제외)의 경우 핵 반지름은 대략 원자핵의 질량수(''A'')의 세제곱근에 비례하며, 특히 많은 핵자를 포함하는 원자핵에서 더욱 구형 배열을 이룬다. 안정적인 원자핵은 대략 일정한 밀도를 가지므로 핵 반지름 R은 다음 공식으로 근사할 수 있다.

:

R = r_0 A^{1/3} \,

여기서 ''A''는 원자 질량수(양성자 수 ''Z''와 중성자 수 ''N''의 합)이고 ''r''₀ = 1.25 fm = 1.25 × 10⁻¹⁵ m이다. 이 방정식에서 "상수" ''r''₀는 해당 원자핵에 따라 0.2 fm 정도 변하지만, 이는 상수에서 20% 미만의 변화이다.^[21]

원자핵 모형에는 액체 방울 모형, 껍질 모형, 집단 모형(클러스터 모형) 등이 있다.

4. 5. 1. 액체 방울 모형

초기 핵 모델은 핵을 회전하는 액체 방울로 보았다. 이 모델에서 장거리 전자기력과 비교적 단거리 핵력의 상호 작용은 크기가 다른 액체 방울의 표면 장력과 유사한 거동을 일으킨다. 이 공식은 핵의 크기와 구성이 변함에 따라 결합 에너지의 변화량(반경험적 질량 공식 참조)과 같은 핵의 많은 중요한 현상을 성공적으로 설명하지만, 양성자 또는 중성자의 특별한 "마법수"를 가질 때 발생하는 특별한 안정성은 설명하지 못한다.

많은 핵의 결합 에너지를 근사하는 데 사용할 수 있는 반경험적 질량 공식의 항은 다섯 가지 유형의 에너지의 합으로 간주된다. 그러면 압축되지 않는 액체 방울로서의 핵 그림은 핵의 관찰된 결합 에너지 변화를 대략적으로 설명한다.

'''체적 에너지''': 크기가 같은 핵자들의 집합이 최소 부피로 압축될 때, 각 내부 핵자는 특정 수의 다른 핵자와 접촉한다. 따라서 이 핵 에너지는 부피에 비례한다.

'''표면 에너지''': 핵 표면의 핵자는 핵 내부의 핵자보다 더 적은 수의 다른 핵자와 상호 작용하므로 결합 에너지가 더 작다. 이 표면 에너지 항은 이를 고려하며, 따라서 음수이며 표면적에 비례한다.

'''쿨롱 에너지''': 핵 내의 각 양성자 쌍 사이의 전기적 반발력은 결합 에너지를 감소시키는 데 기여한다.

'''비대칭 에너지'''(파울리 에너지라고도 함): 파울리 배타 원리와 관련된 에너지. 쿨롱 에너지가 없다면, 핵 물질의 가장 안정적인 형태는 중성자와 양성자의 수가 같을 것이다. 왜냐하면 중성자와 양성자의 수가 같지 않다는 것은 한 종류의 입자에 대해서는 더 높은 에너지 준위를 채우는 반면, 다른 종류의 입자에 대해서는 더 낮은 에너지 준위를 비워 두는 것을 의미하기 때문이다.

'''짝짓기 에너지''': 양성자 쌍과 중성자 쌍이 발생하는 경향에서 비롯되는 보정 항으로서의 에너지. 짝수의 입자는 홀수의 입자보다 더 안정적이다.

4. 5. 2. 껍질 모형

원자핵 모형 중 하나는 핵자(양성자와 중성자)가 원자 궤도함수와 매우 유사한 궤도를 차지한다는 것이다. 핵자는 페르미온이므로 쌍으로 궤도를 차지하며, 이는 홀짝 Z와 N 효과를 설명한다. 그러나 핵 껍질의 특성과 용량은 원자 궤도의 전자와 다르다. 핵자들이 움직이는 퍼텐셜 우물(특히 큰 원자핵)은 원자의 전자를 결합하는 전자기 퍼텐셜 우물과 상당히 다르기 때문이다.^[20]

헬륨-4처럼 작은 원자핵에서는 양성자 2개와 중성자 2개가 각각 1s 궤도를 차지하여 헬륨 원자의 전자 2개의 1s 궤도와 유사한 안정성을 보인다. 핵자 5개를 가진 원자핵은 매우 불안정하고 수명이 짧지만, 핵자 3개를 가진 헬륨-3은 안정하다. 반면 핵자 3개를 가진 수소-3(트리톤)은 불안정하여 헬륨-3으로 붕괴한다. 1s 궤도에 핵자 2개({NP})를 가진 수소-2(중양성자)는 약한 핵 안정성을 보인다. 핵자 6개를 가진 리튬-6은 닫힌 1p 껍질 없이도 안정하다. 핵자 1~6개를 가진 가벼운 원자핵 중 핵자 5개인 원자핵만 안정성을 보이지 않는 것은 핵 안정성이 마법수를 가진 껍질 궤도의 단순 폐쇄보다 복잡함을 나타낸다.^[20]

큰 원자핵에서 핵자가 차지하는 껍질은 전자 껍질과 상당히 다르지만, 현재 핵 이론은 양성자와 중성자 모두 채워진 핵 껍질의 마법수를 예측한다. 안정된 껍질 폐쇄는 화학의 비활성 기체처럼 안정된 배열을 예측한다. 예로 양성자 50개를 가진 주석은 안정 동위원소 10개를 갖는다. 껍질 폐쇄에서 멀어지면 방사성 원소 43(테크네튬)과 61(프로메튬)처럼 불안정해진다.^[20]

닫힌 껍질에서 멀리 떨어진 핵 특성을 설명하기는 어렵다. 이를 위해 퍼텐셜 우물 모양을 복잡하게 왜곡했지만, 이 조작이 실제 원자핵 변형에 해당하는지는 불분명하다. 이 문제로 일부 과학자들은 현실적인 2체 및 3체 핵력 효과를 제안하고 이를 바탕으로 원자핵을 구성했다. 1936년 존 휠러의 공명 군집 구조 모형, 라이너스 폴링의 밀집 구면체 모형, 매그리거의 2차원 이징 모형이 그 예다.^[20]

원자핵 안정성은 양성자와 중성자 수와 관련되며, 특히 안정하게 만드는 마법수가 존재한다는 것을 메이어와 예넨이 발견했다. 그들은 이 법칙으로 껍질 모형을 제창했다.^[28] 그러나 최근 불안정핵 연구에서 중성자 과잉 핵 등은 마법수 계열이 소멸됨이 알려졌다.

모든 핵종 중 가장 안정한 원자핵은 니켈의 동위원소인 니켈-62이다.^[29]^[30]

4. 5. 3. 집단 모형 (클러스터 모형)

군집 모형(Cluster model)은 원자핵을 알파 입자와 같은 양성자-중성자 군집들의 집합으로 설명한다. 이 모형에서는 하나 이상의 원자가전자(valence neutrons)가 분자 궤도 함수(molecular orbitals)를 차지하고 있다고 본다.^[23]^[24]^[25]^[26]

핵 껍질 모형에서 핵자는 원자 궤도함수와 매우 유사한 궤도를 차지하며, 페르미온이기 때문에 쌍으로 궤도를 차지할 수 있다. 이는 홀짝 Z와 N 효과를 설명한다. 핵 껍질의 특성과 용량은 원자 궤도의 전자와 다른데, 핵자들이 움직이는 퍼텐셜 우물은 원자의 전자를 결합하는 전자기 퍼텐셜 우물과 상당히 다르기 때문이다.

헬륨-4의 경우, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 각각 1s 궤도를 차지하여 안정성을 보인다. 5개의 핵자를 가진 원자핵은 매우 불안정하지만, 헬륨-3은 닫힌 1s 궤도 껍질이 없어도 안정하다. 수소-3은 불안정하며 헬륨-3으로 붕괴된다. 중양성자 수소-2는 {NP} 중양성자가 보손이므로 파울리 배타 원리를 따르지 않아 약한 핵 안정성을 보인다. 리튬-6은 닫힌 두 번째 1p 껍질 궤도 없이도 안정하다.

마법수의 양성자와 중성자를 가진 껍질 궤도의 폐쇄는 핵 안정성에 영향을 미친다. 50개의 양성자를 가진 주석이 10개의 안정 동위원소를 가지는 것이 그 예시이다. 껍질 폐쇄로부터의 거리는 방사성 원소 43(테크네튬)과 61(프로메튬)의 불안정성을 설명한다.

하지만 껍질 모형은 닫힌 껍질에서 멀리 떨어진 핵 특성을 설명하는 데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 현실적인 2체 및 3체 핵력 효과를 고려한 클러스터 모형이 제안되었다. 이러한 모형에는 1936년 존 휠러의 공명 군집 구조 모형, 라이너스 폴링의 밀집 구면체 모형, 매그리거의 2차원 이징 모형이 있다.^[20]

참조

_[1] 논문 The Neutron Hypothesis
_[2] 논문 Über den Bau der Atomkerne. I
_[3] 논문 Über den Bau der Atomkerne. II
_[4] 논문 Über den Bau der Atomkerne. III
_[5] 서적 Early quantum electrodynamics: a source book Cambridge Univ. Press 1995
_[6] 서적 Unravelling the mystery of the atomic nucleus: a sixty year journey, 1896-1956 Springer
_[7] 논문 How big is the proton? Particle-size puzzle leaps closer to resolution 2019-11-01
_[8] 논문 Table of experimental nuclear ground state charge radii: An update http://aculina.jinr.[...] 2013-01-01
_[9] 웹사이트 "Uranium" IDC Technologies. http://www.idc-onlin[...] 2018-05-07
_[10] 문서 계산 결과
_[11] 웹사이트 The Rutherford Experiment http://www.physics.r[...] Rutgers University 2013-02-26
_[12] 웹사이트 Nucleus http://www.etymonlin[...] 2010-03-06
_[13] 논문 The Atom and the Molecule http://osulibrary.or[...]
_[14] 서적 Theory of nucleus: nuclear structure and nuclear interaction https://books.google[...] Kluwer
_[15] 서적 Quantum field theory https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[16] 서적 Fundamentals in nuclear physics: from nuclear structure to cosmology https://books.google[...] Springer
_[17] 논문 Pear-shaped nucleus boosts search for new physics http://www.nature.co[...] 2013-11-23
_[18] 논문 Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams https://lirias.kuleu[...] 2013-05-01
_[19] 논문 Chiral effective field theory and nuclear forces
_[20] 서적 Models of the Atomic Nucleus: unification through a lattice of nucleons Springer Verlag 2010
_[21] 서적 Introductory nuclear physics Wiley
_[22] 서적 College Physics https://archive.org/[...] Brooks/Cole, Cengage Learning 2009
_[23] 논문 Nuclear Ground State Has Molecule-Like Structure https://physics.aps.[...] 2023-11-21
_[24] 논문 Validation of the 10Be Ground-State Molecular Structure Using 10Be(p,pα)6He Triple Differential Reaction Cross-Section Measurements
_[25] 논문 How atomic nuclei cluster
_[26] 논문 The "cluster model" of the atomic nuclei
_[27] 웹사이트 CODATA Value: proton rms charge radius http://physics.nist.[...] NIST 2016-11-21
_[28] 참고문헌
_[29] 참고문헌
_[30] 웹사이트 The Most Tightly Bound Nuclei http://hyperphysics.[...] Georgia State University 2008-02-17
_[31] 참고문헌
_[32] 참고문헌
_[33] 참고문헌
_[34] 참고문헌
_[35] 참고문헌
_[36] 논문 (추가 정보 필요)
_[37] 논문 (추가 정보 필요)
_[38] 논문 (추가 정보 필요)
_[39] 논문 (추가 정보 필요)
_[40] 논문 (추가 정보 필요)
_[41] 논문 (추가 정보 필요)
_[42] 논문 (추가 정보 필요)
_[43] 논문 (추가 정보 필요)

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